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1、视频编码技术课程论文基于HEVC（H.265）的视频编码摘要：由软件和硬件提供的不断加强的处理能力带动了视频压缩编码的发展。新兴的HEVC视频编码标准意在相对于H.264/AVC将其编码效率提高一倍，并且用一半的比特率就能传送相同质量的视频。本文中与复杂性相关的一些方面在标准化过程中被考虑到并进行了描述。总体而言，HEVC解码器的复杂性与H.264/AVC解码器相比好像没有显著的不同,这使得HEVC解码软件在当前的硬件上非常实用。HEVC编码器预计将会比H.264/AVC编码器复杂上数倍，并在未来的数年内成为一项研究主题。关键词：HEVC；分割结构；帧间预测；算法优化；视频编码一.HEVC(H
2、.265)的背景和理论基础H.265是ITU-T VCEG 继H.264之后所制定的新的视频编码标准。H.265标准围绕着现有的视频编码标准H.264，保留原来的某些技术，同时对一些相关的技术加以改进。新技术使用先进的技术用以改善码流、编码质量、延时和算法复杂度之间的关系，达到最优化设置。具体的研究内容包括：提高压缩效率、提高鲁棒性和错误恢复能力、减少实时的时延、减少信道获取时间和随机接入时延、降低复杂度等。H.265相比H.264进步更为明显，可以实现利用1Mbps以下的传输速度传送1080P（分辨率1920*1080）全高清音视频传送。除了在编解码效率上的提升外，在对网络的适应性方面H.2
3、65也有显著提升，可很好运行在Internet等复杂网络条件下。新批准的H.265标准将通过改进后的压缩技术，让发行商通过网络传输1080p的视频，而所要求带宽只需当前使用的一半即可。在这种新标准使用之后，用户不仅可以在家庭中的宽带上传输和观看网络高清视频，而且还可以在手机和平板电脑等设备中享受这些服务，事实上，手机和平板电脑等设备使用了更多限制的网络带宽。这样，网络视频将能够更加广泛地普及到连接较差的网络之中或更多的移动网络之中。H.265标准的通过可能会意味着网络受限的现象减少，同时，更多高清视频也将会出现。业界认为，更加高效的编码解码器的使用也可能会有助于提高视频的质量。随着数字视频应用
4、产业链的快速发展，视频应用向以下几个方向发展的趋势愈加明显：(1)高清晰度：数字视频的应用格式从720 P向1080 P全面升级，在一些视频应用领域甚至出现了4K x 2K、8K x 4K的数字视频格式；(2)高帧率：数字视频帧率从30 fps向60fps、120fps甚至240fps的应用场景升级；(3)高压缩率：传输带宽和存储空间一直是视频应用中最为关键的资源，因此，在有限的空间和管道中获得最佳的视频体验一直是用户的不懈追求。由于数字视频应用在发展中面临上述趋势，如果继续采用H.264编码就出现的如下一些局限性：(1) 宏块个数的爆发式增长，会导致用于编码宏块的预测模式、运动矢量、参考帧索
5、引和量化级等宏块级参数信息所占用的码字过多，用于编码残差部分的码字明显减少；(2) 由于分辨率的大大增加，单个宏块所表示的图像内容的信息大大减少，这将导致相邻的4 x 4或8 x 8块变换后的低频系数相似程度也大大提高，导致出现大量的冗余；(3)随着运动矢量幅值的大幅增加，H.264中用来对运动矢量进行预测以及编码的方法压缩率将逐渐降低。为了应对这种局限性，2010年1月，ITU-T VCEG和ISO/IEC MPEG联合成立JCT-VC了联合组织，统一制定下一代编码标准：HEVC.二. HEVC(H.265)的关键技术HEVC 进行了大量的技术创新，其中具有代表性的技术方案有：基于大尺寸 四
6、叉树块的分割结构和帧间预测技术。2.1 HEVC 的变换结构采用大尺寸树形编码结构有利于支持大尺寸图像编码。当感兴趣区域一致时，一个大的 CU 可以用较少的标识代表整个区域，这比用几个小的块分别标识更合理。其次，任意 LUC 尺寸可以使编解码器对不同的内容、应用和设备达到最优化。对于目标应用，通过选择合适的 LCU 尺寸和最大分级深度，使编解码器具有更好的适应能力。LCU 和 SCU 尺寸范围可被定义到档次和级别部分以匹配需求。2.2 基于四叉树结构的编码分割为了提高高清、超高清视频的压缩编码效率，HEVC 提出了超大尺寸四叉树 编码结构，使用编码单元，预测单元和变换单元3个概念描述整个编码过
7、程。其中CU类似于 H.264/AVC 中的宏块或子宏块，每个CU均为 2N2N 的像素块（N 为 2 的幂次方），是 HEVC 编码的基本单元，目前可变范围为 6464 至 88。图像首先以最大编码单元（LCU，如 6464 块）为单位进行编码，在LCU内部按照四叉树结构进行子块划分，直至成为最小编码单元（SCU，如 88 块）为止。一种新的不对称运动分割预测方案也已经被JCT所接受，这也是HEVC与 H.264 在分块预测技术中最为不同之处。所谓 AMP，即将编码单元分为两个尺寸大小不一致的预测块，其中一个PU单元的宽/长为 CU 单元的 1/4，另一个PU对应的宽/长为CU单元的3/4。
8、这种预测方式考虑了大尺寸可能的纹理分布，可以有效提高大尺寸块的预测效率。HEVC 的帧间、帧内预测的基本框架与H.264 基本相同：即采用相邻块重构像素对当前块进行帧内预测，从相邻块的运动矢量中选择预测运动矢量，支持多参考帧预测等。同时，HEVC 采用了如多角度预测，高精度运动补偿等多种技术，使得预测精度大大提高。2.3 帧间预测技术在高效预测模式下，HEVC仍然采用 H.264 中的等级B预测方式，同时还增 加了广义 B（Generalized Pand Bpicture，GPB）预测方式取代低时延应用场景中的P预测方式。GPB预测结构是指对传统P帧采取类似于B帧的双向预测方式进行预测。在这
9、种预测方式下，前向和后向参考列表中的参考图像都必须为当前图像之前的图像，且两者为同一图像。对P帧采取B帧的运动预测方式增加了运动估计的准确度，提高了编码效率，同时也有利于编码流程的统一。三.HEVC(H.265)的算法优化3.1快速、高效的编码率失真优化算法基于对HEVC编码器参考模型HM的测试分析可知，灵活的块划分模型，包括编码单元CU、变换单元TU以及预测单元PU，对视频编码的率失真性能提高最为明显，但其带来的计算复杂度也最大，因此HEVC编码器如何根据相邻块上下文属性以及当前编码块的纹理特征进行快速的CU、PU和TU划分，这具有非常重要的研究价值。3.2快速、高效的码率控制算法为了适应多
10、核处理器的发展趋势，HEVC中引入了片层、条带以及WPP（波形并行处理）的思想，然而目前已有的并行视频编码方法力度较粗，并行度不高，负载不均衡，无法充分挖掘多核处理器的计算能力，影响编码效率。因此研究适用于多核处理器的高并行度视频编码方法，为视频编码发展提供持续的计算能力保证，具有重要意义。目前这方面的研究刚刚起步，研究点主要包括并行运动估算法、并行帧内预测算法和并行熵编码算法等。3.3快速、高效的视频主观质量优化算法HEVC在视频编码算法方面，还在不断的进行着扩展式的发展，以便应多应用需求的不断变化，这些扩展发展的主要研究方向包括：(1)3D视频、立体视频和多视角视频的编码技术，不仅对视频数
11、据进行压缩，还要对其他深度信息进行编码；(2)分层式HEVC编码技术用于提高HEVC对网络的自适应能力，目前主要应用于空域和质量域可分层视频编码；(3)HEVC即将把人类对视频图像的认知模型融入到视频编码算法中，对视频图像中感兴趣的区域分配较多的码率以提高视频图像的主观质量，主要包括感兴趣区域的检测技术和动态码率分配技术等；(4)优化视频图像的主客观质量评价方法，目前主要以峰值信噪比以及结构相似性指标作为评价标准，难以精确模拟人类视觉系统的功能，目前正在进一步提高和改进。四. HEVC(H.265)技术最新研究进展H.265标准是在H.264标准的基础上发展起来的，结合H.264在视频应用领域
12、的主流地位可以预见H.265协议在未来广大的发展前景。世界的一些主流电视组织以及媒体运营商已经选择H.264作为媒体格式标准，一些主要的编解码设备厂商也一直积极参与到H.265标准的研究当中。华为是国际电信联盟视讯标准的主要报告人和编辑者。作为国际电信联盟成员单位，华为牵头并参与制订了多项国家标准和行业、企业标准。在H.265协议制定期间，华为提交了多项相关提案、建议，并提供了非常典型的应用场景测试序列，得到国际电信联盟的高度认可和接纳。华为提供的China Speed序列已经被标准组织采纳作为Class F的标准测试序列。随着芯片处理能力越来越强，算法复杂性对应用的影响因素越来越小。相反，在
13、算法实时通讯应用以及IPTV应用中，业务的不断扩展和需求的增加使得有限的带宽资源逐渐成为瓶颈，高压缩率的编码是解决这一难题的有效技术手段，这也为H.265在基于IP进行流媒体服务领域的应用奠定了坚实的基础。目前很多电信运营商使用H.264标准作为其媒体格式，也有很多厂商推出了基于H.264标准的机顶盒以及基于H.264标准的视频会议解决方案。五.总结总之，HEVC，以实现卓越的压缩性能的复杂性成本并不明显。虽然某些方面的设计比H.264/AVC需要更多的处理，但其他各个方面都进行了简化。实时软件解码的HEVC比特流是非常可行的，目前的发电设备：1080p60的解码的笔记本电脑或台式机，移动设备
14、上（包括合理的比特率范围内）和480p30解码。这样的性能是可以实现的，而且无需依靠在解码过程中的多个内核。这是很重要的，因为它可提供快速，广泛采用HEVC软件路径。在编码器方面，需要大量的额外工作做出实时编码器，提供媲美的HM编码器的压缩效率，预计这将在今后几年里是一个活跃的研究领域。参考文献：1 陈特，基于H.264/AVC运动估计算法研究,西安电子科技大学,2010.2 毕厚杰,新一代视频压缩编码标准一H.264/AVC,人民邮电出版社,2005.04.3Il-Koo Kim, Woo-Jin Han, JeongHoon Park, et al, Test results of asymmetricmotion partition(AMP), JCT-VC Document, JCTVC-F379, Torino, July 2011.4 李志斌,提高视频编码效率的信号处理技术研究,西安电子科技大学，2010.095 亢丽娟，提高HEVC视频编码性能的相关技术研究，西安电子科技大学，2011.12
